Mengapa Pelat Tembaga Berkinerja Baik di Penukar Panas
Pelat tembaga digunakan dalam penukar panas sebagai lembaran tabung, penyekat, kumparan pelat, pelat penukar stempel, dan stok sirip karena tembaga melakukan kombinasi tugas sekaligus: tembaga menghantarkan panas lebih cepat dibandingkan hampir semua logam rekayasa umum lainnya, tahan terhadap korosi dalam air dan banyak cairan proses, tetap cukup ulet untuk dibentuk dan diperluas, dan tahan terhadap siklus termal-pengaktifan dan penghentian-tanpa retak.
Bagian di bawah ini membandingkan tembaga dengan bahan lain yang biasanya dipertimbangkan untuk pelat dan lembaran penukar, dan menetapkan batas layanan yang harus dipatuhi oleh perancang.
Konduktivitas Termal Dibandingkan dengan Bahan Lain
| Bahan | Konduktivitas termal tipikal, W/(m·K) | Kinerja relatif |
|---|---|---|
| Tembaga (C11000, anil) | Sekitar 386 | bahan referensi; perpindahan panas tercepat dari logam biasa |
| Aluminium | Sekitar 237 | Sekitar 60% tembaga; alternatif biasa yang mengutamakan berat badan |
| Baja karbon | Sekitar 50 | Kira-kira sepertujuh dari tembaga |
| Baja tahan karat austenitik | Sekitar 16 | Kira-kira seperdua puluh-empat tembaga |
Di bawah kondisi yang sama dan dengan ketebalan dinding yang sama, pelat tembaga memindahkan panas dari satu sisi ke sisi lain jauh lebih cepat dibandingkan aluminium, baja karbon, atau baja tahan karat, sehingga menurunkan ketahanan termal dinding dan mengurangi luas permukaan yang dibutuhkan untuk suatu tugas tertentu. Alternatifnya, untuk area tetap, penukar tembaga beroperasi dengan perbedaan suhu yang lebih kecil antara aliran panas dan dingin, yang berguna dalam pendinginan, pengkondisian udara, dan aplikasi pemulihan panas tingkat rendah di mana perbedaan suhu penggeraknya kecil.
Perilaku Korosi dan Batas Pelayanan
Dalam lingkungan korosif seperti yang ditemukan di pabrik kimia dan farmasi, tembaga membentuk lapisan oksida padat dan melekat yang memperlambat serangan lebih lanjut oleh media proses dan memperpanjang masa pakai penukar. Pelat tembaga juga bekerja dengan baik di air tawar, di sebagian besar larutan berair netral, dan di sirkuit kondensat dan zat pendingin pada sistem pendingin.
Tembaga tidak bersifat universal, dan batasannya perlu dinyatakan dengan jelas. Tembaga diserang oleh senyawa amonia dan amonium, yang dapat menyebabkan tegangan-retak korosi yang cepat pada pelat yang tertekan, sehingga penukar tembaga tidak boleh digunakan jika terdapat amonia, amonium hidroksida, atau bahan pembersih amonia. Tembaga juga tidak cocok untuk asam yang mengoksidasi kuat, untuk aliran yang mengandung sulfida, dan untuk kontak dengan merkuri. Jika kecepatan air tinggi atau udara masuk, pelat tembaga dapat mengalami benturan, terutama di area saluran masuk dan di sekitar tepi penyekat, sehingga kecepatan saluran masuk dan distribusi aliran harus dikontrol. Di atas sekitar 200 derajat, tekanan desain yang diijinkan dari tembaga anil turun tajam, dan tugas suhu-tinggi biasanya lebih baik dilakukan oleh baja atau baja tahan karat.
Pertimbangan Kekuatan, Fabrikasi dan Desain
Pelat tembaga memiliki kekuatan sedang dan keuletan tinggi. Kekuatan dan kekerasan kerja yang relatif tinggi-tembaga yang dikeraskan memungkinkannya menahan tekanan dan beban mekanis dari layanan penukar tanpa mudah berubah bentuk, hal ini penting karena penukar harus menyerap fluktuasi tekanan serta ekspansi dan kontraksi termal setiap siklus pengoperasian sekaligus menjaga sambungan tabung-ke-lembar tabung tetap kencang dan stabilitas struktural unit tetap utuh.
Tembaga juga diproses dengan baik. Bahan ini dapat digulung hingga toleransi ketebalan yang ketat, dikosongkan dan dicap menjadi geometri pelat yang rumit, ditekan menjadi pola sirip dan pelat, dan dibentuk menjadi gulungan dan header. Pengelasan, mematri dan menyolder semuanya digunakan; sambungan tembaga-ke-tembaga biasanya dibrazing dengan pengisi tembaga-fosfor, sedangkan sambungan tembaga ke baja memerlukan kombinasi pengisi dan fluks yang cocok untuk logam yang berbeda. Karena pekerjaan tembaga mengeras, operasi pembentukan yang parah harus direncanakan dengan anil menengah, dan pelat untuk lembaran tabung harus dipesan dalam suhu yang menjaga bahan ligamen cukup ulet untuk ekspansi roller.
Pasokan standar untuk pelat dan lembaran penukar mencakup tembaga pitch tangguh elektrolitik C11000, tembaga bebas oksigen-C10200, dan tembaga fosfor tinggi terdeoksidasi C12200, dengan ketebalan dari lembaran tipis hingga pelat berat dan dalam berbagai suhu. Produk tembaga canai datar dan paduan tembaga untuk keperluan umum dilindungi oleh ASTM B152/B152M dan GB/T 2040 dan EN 1652 untuk pelat dengan tingkatan dan suhu yang sesuai.
Aplikasi
Penukar-dan-tabung: lembaran tabung tembaga, pelat pendukung, dan penyekat, biasanya dipasangkan dengan tabung tembaga atau-nikel.
Penukar panas pelat dan unit pelat brazing: pelat stempel, serta foil dan lembaran tembaga yang digunakan sebagai media mematri dalam rakitan brazing.
Pendinginan dan penyejuk udara: kumparan pelat, bagian dalam akumulator dan penerima, serta stok sirip untuk kumparan.
Industri dan konstruksi: pelat perpindahan panas untuk kolam dan pemanas distrik, kumparan tangki, dan busbar listrik di mana pelat tembaga berfungsi ganda sebagai konduktor dan penyebar panas.
Laut dan lepas pantai: pelat untuk sistem air laut dengan tegangan klorida-risiko retak korosi pada baja tahan karat austenitik tidak dapat diterima dan tugas tersebut memerlukan paduan tembaga.
Kesalahan Umum dan Titik Inspeksi
Sebagian besar kegagalan pelat tembaga pada penukar berasal dari desain dan pengerjaan, bukan dari bahan itu sendiri: pelat disusun dengan suhu yang salah untuk pembentukan atau pemuaian, sudut dalam yang tajam sehingga memusatkan tegangan, prosedur pengelasan atau penyolderan yang membuat logam induk menjadi terlalu panas, sambungan logam yang berbeda tidak terlindungi dari korosi galvanik, dan sistem pembersihan yang menggunakan bahan kimia amoniak atau pengoksidasi kuat. Memilih tingkat pelat yang sesuai dengan fluida proses, menentukan temper dengan mempertimbangkan rute fabrikasi, dan menjaga kandungan kimia air dan kecepatan di dalam selubung desain akan mencegah sebagian besar masalah ini.
Pemeriksaan pelat yang masuk biasanya mencakup verifikasi kadar-angka dan panas, analisis kimia, pengujian tarik untuk pengukuran temper, ketebalan dan kerataan yang dipesan, pemeriksaan ultrasonik atau visual untuk laminasi dan retakan tepi, serta pemeriksaan-ukuran butir di mana pelat akan dibentuk selanjutnya. Untuk tubesheet, tambahkan pengujian kekerasan untuk mengonfirmasi kemampuan perluasan dan pemeriksaan dimensi jarak lubang-tabung, diameter, dan lebar ligamen.
Pertanyaan Umum
T: Seberapa baik tembaga dibandingkan aluminium dalam penukar panas?
Konduktivitas termal tembaga sekitar 386 W/(m·K) dibandingkan aluminium sekitar 237 W/(m·K), sehingga tembaga memindahkan panas jauh lebih cepat dan memerlukan luas permukaan yang lebih sedikit untuk tugas yang sama. Aluminium tetap menarik jika bobot atau biaya pertama mendominasi dan cairannya kompatibel.
T: Dapatkah pelat tembaga digunakan di pabrik kimia?
Ya, dalam banyak tugas kimia dan farmasi di mana tembaga membentuk lapisan oksida pelindung dan tahan terhadap media proses. Bahan ini tidak boleh digunakan dengan amonia, senyawa amonium, asam pengoksidasi kuat, atau aliran yang mengandung sulfida, yang akan menyerang tembaga dengan cepat.
T: Pelat tembaga kelas berapa yang digunakan untuk tubesheet?
Tembaga pitch tangguh elektrolitik C11000, tembaga bebas oksigen C10200, dan tembaga fosfor tinggi terdeoksidasi C12200 adalah pilihan yang umum. Tingkat dan temper dipilih dari fluida proses, metode ekspansi atau pengelasan yang digunakan untuk sambungan tabung dan tekanan desain.
T: Apakah pelat tembaga cocok untuk penukar panas pelat brazing?
Ya. Penukar pelat brazing dibuat dari pelat tahan karat atau pelat lain yang dicap yang digabungkan dengan bahan mematri tembaga atau paduan tembaga, dan lembaran tembaga serta foil juga digunakan untuk pelat perpindahan panas itu sendiri dalam unit yang dirancang khusus. Faktor pembatasnya biasanya adalah kompatibilitas tembaga dengan fluida proses.
T: Berapa batas suhu yang berlaku untuk penukar pelat tembaga?
Tembaga mempertahankan keuletan yang baik pada rentang temperatur yang luas, namun tegangan desain yang diijinkan dari tembaga anil turun tajam di atas sekitar 200 derajat, dan material menjadi lunak. Tugas-suhu tinggi biasanya ditangani oleh baja atau baja tahan karat.
T: Bagaimana cara membersihkan pelat tembaga saat servis?
Gunakan bahan kimia pembersih yang kompatibel dengan tembaga dan hindari formulasi berbahan dasar amonia dan amonium. Pembersihan mekanis tidak boleh menggores permukaan pelat, dan prosedur pembersihan harus diperiksa berdasarkan panduan pabrik penukar dan spesifikasi tingkat pelat.
